Eau Chaude Sanitaire (ECS)
besoins et existant : puissance, dimensionnement
23/04/2014, revu le 01/05/2014
Quelle installation d'Eau Chaude Sanitaire (ECS)
L'Eau Chaude Sanitaire, ECS en abrégé
dans la suite de l'article, est une fourniture incontournable des
logement, plus encore que le chauffage.
S'il est en effet possible de mettre pulls et chaussettes lorsque le
chauffage est en panne, il est difficilement imaginable de se passer
longtemps d'eau chaude, qui sert essentiellement à se
laver et également à faire cuisine, vaisselle, et parfois
lavage (la plupart du temps, les consommateurs utilisent des laves
linges et lave vaisselle qui chauffe électriquement l'eau
froide, et l'ECS est alors inutile pour ces usages là)
L' ECS, c'est quoi ?
Le principe général est le suivant :
L'eau froide alimente une extrémité d'un ensemble [Ballon et/ou Échangeur].
L'eau du système [Ballon et/ou Échangeur] est chauffée par un Générateur.
A l'autre extrémité de l'ensemble [Ballon et/ou Échangeur], l'Eau Chaude Sanitaire est soutirée.
Le schéma de principe est illustré dans les 3 schémas ci-dessous.
Schéma 1 :
l'ECS provient de l'eau du ballon, laquelle est chauffée via un serpentin
dans lequel circule de l'eau d'un autre circuit qui circule du générateur au ballon.
Comme l'eau est présente dans le ballon, on peut disposer d'un petit générateur
qui n'aura à chauffer que l'équivalent de ce qui a été soutiré.
L'eau chaude est disponible immédiatement en pompant en haut du ballon.
Schéma 2 :
l'ECS provient de l'eau en sortie de l'échangeur,
lequel est chauffée via l'eau d'un autre circuit qui circule du générateur à l'échangeur.
Du fait de l'absence de ballon tampon, le générateur devra dans ce cas être très puissant
pour fournir l'eau chaude immédiatement, à l'ensemble des habitants qui le demande, y compris en heure de pointe.
Schéma 3 qui mixe les 2 schéma précédents :
en sortie de l'échangeur précédent, au lieu de
prélevé l'eau directement, on la stocke dans un ballon
tampon.
Le système entier peut être individuel ou collectif.
Le générateur d'ECS peut avoir différente source :
une résistance électrique, une chaudière au fuel ou au gaz,
une chauffe eau solaire, une pompe à chaleur (PAC), un système composé des précédents, etc...
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Quels choix pour l'ECS ?
Mais si le moyens de chauffage semble important, il occulte souvent un point absolument capital :
le dimensionnement de l'installation en fonction des besoins.
Pour l'individuel, des ratios existent depuis longtemps,
et les artisans installent aujourd'hui des matériels standards de dimension bien connues.
Par exemple un chauffe eau électrique de 200 à 300 L pour
un foyer de 3 à 4 personnes fait très bien l'affaire.
Dès qu'il faut dimensionner un chauffage collectif, de nouvelles questions se posent,
comme la gestion des heures de pointes pour l'ensemble des habitants d'un immeuble.
Les installations collectives sont beaucoup plus grosses
et peuvent entraîner des investissements collectifs très importants,
et les décisions à prendre nécessitent souvent un délais important de maturation,
en connaissance de cause, en évaluant convenablement les risques et les bénéfices financiers.
Les risques non techniques
Quels impacts sur le choix d'une solution
sont par exemple susceptibles d’entraîner les événements suivants :
la sortie du dernier rapport du GIEC,
le sinistre de Fukushima,
la réélection d'Angela Merkel,
le départ des écologistes du gouvernement Français,
le conflit Ukrainien,
le pic pétrolier,
la pollution liée au Charbon en Chine,
la déforestation Amazonienne,
le plafonnement de la production de gaz de schistes aux États-Unis,
le conflit lié à l'écotaxe en Bretagne,
l'abandon de la construction du gazoduc Nabucco,
les essais d'ITER,
le déroulement de l'expérience Nicegrid
et la venue de Google dans la domotique, etc... etc... |
Les lecteurs de ce site et bien d'autres du même type sont habitués à évaluer avec un certain recul
les différentes technologies disponibles en regard des aspects géopolitiques,
et si les facteurs sont multiples, il est possible de voir émerger certains fondamentaux,
comme le poids important du CO2 dans les décisions de demain,
ou l'impact de moins en moins acceptable de la dette énergétique de la France dans sa balance commerciale.
Je n'évoquerai pas plus ces points dans cet article.
Après la prise en compte des risques non techniques, il sera tempas,
après avoir évaluer le dimensionnement, de prendre en comptes les autres éléments :
les éléments financiers :
investissement, subventions, crédits, temps de retour, coûts
récurrents,
temps de retour, et bien sûr endettement et moyens des
copropriétaires,
les éléments techniques,
tels que pérennité, maintenabilité, autonomie, résilience... |
Le dimensionnement de l'eau chaude sanitaire...
Concentrons nous d'abord sur les besoins en ECS, et sur la manière de les combler,
en ayant en ligne de mire non le type de générateur qui peut être installé,
mais sur la puissance nécessaire de l'installation, et le volume du ballon à installer si ballons il y a.
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Cas d'un logement F5 : puissance de chauffe.
Prenons par exemple notre logement de type F5.
Ce logement n'est pas isolé, mais fait parti d'un ensemble de 16
logements, chacun des logements a en moyenne 3 personnes (certains
logements sont inoccupés, d'autres héberge un foyer de 5
personnes).
La moyenne de consommation pour chacun des foyers est estimée égale à 250 L/J.
On a donc une consommation évaluée à 250 x 16 = 4000 L.
L'installation est aujourd'hui la suivante :
Le générateur est une chaudière fuel de 82 kW (ce
qui donnerait 50 kW avec un rendement de 0,6).
Il n'existe pas
d'échangeur à plaque.
Le ballon de stockage, horizontal, est de 2500 L (4,3 m3 d'encombrement).
Son coefficient
d'efficacité est estimé à 0,5, médiocre,
lié essentiellement à son horizontalité.
Il stocke
de l'eau qui arrive à 70°C en étage supérieur.
Le profil des consommations est estimée sur les bases standards
proche des éléments données par l'ADEME.
Je retiens ici le profil le plus défavorable : les jours de
semaine (et non le WE), compte tenu en particulier de la pointe du
matin, lorsque les foyers conduisent leurs enfants à
l'école.
Les 4000 L quotidiens suivent alors la courbe de distribution horaire suivante :
Compte tenu de ces éléments, il est possible de
déterminer la courbe de puisage en heure consécutive (ici
avec un ballon de coefficient d'efficacité a = 1), que j'ai
faite ici sous Excel.
Pour l'interprétation précise de ces courbes, je vous
renvoie à l'explication synthétique disponible ici :
http://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=11301
Enfin, grâce au logiciel Énergie+ développé
par l'institut catholique de Louvain, qui nous épargne d'avoir
à faire les calculs pour différents couple (puissance
générateur, stockage), on tire la courbe d'égale
satisfaction des besoins.
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Éléments de réponse sur le choix de l'ECS.
Des éléments ci-dessus, on voit qu'il existe tout une gamme possible de solutions
entre un plus faible dimensionnement du ballon (100 L) et une chaudière puissante (40 kW),
ou au contraire un stockage confortable pour encaisser un pic de consommation (ballon de 2500 L),
et un générateur moins puissant (15 kW maximum).
En plus des risques non techniques listés précédement,
d'autres critères vont alors rentrer en ligne de compte,
à commencer par les critères financiers...
- le coût de fonctionnement : un stockage plus important autorise le lissage de consommation,
et donc la possibilité de bénéficier des heures pleines et creuses d'EdF par exemple.
- le coût d'investissement : le coût d'un ballon (si l'on
prévoyait d'être en chauffage instantanné),
ou au contraire celui d'un surcroît de puissance à mettre en regard
- La sécurité d'approvisionnement : Un stockage important ne rend pas tributaire d'une panne
- la maintenanbilité : le générateur choisi ou existant est il capable d'assumer les pic de charges ?
La solution choisie permet t'elle de se passer plus ou moins partiellement de contrats de maintenance ?
(cas d'utilisation de simples ballons chauffés par une résistance) ?
- l'accessibilité : on n'a pas forcément la place de mettre un ballon de 2500 L dans un local collectif
- l'évolutivité des installations : un stockage peut avoir plusieurs source d'alimentation en calories
(ex : du solaire ou une PAC avec une chaudière en relève)
- etc...
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Surdimensionnement ?
Afin de dimensionner convenanblement les installations,
il importe de prendre en compte dans le dimensionnement les éléments extrêmes.
- lors d'un hiver rigoureux et prolongé, l'eau ne sera
peut être pas pompée à 10°C... mais peut
être à 5°C.
- des périodes particulières (fêtes, WE prolongés...) peuvent engendrer des pics de consommations...
Ces éléments peuvent amener à prendre un facteur supplémentaire de précaution
le simple passage de l'eau froide de 10°C à
5°C engendre un surdimensionnement de (60-5)/(60-10) = 1.1 soit 10%
Il ne faut pas oublier non plus les risques inhérants à la qualité des installations
(ex : déficit d'isolation des conduites ou du ballon)
ou un mauvais positionnement du ballon ou des éléments perturbateurs au niveau du ballon (cf ci-dessous)
Donnons néanmoins quelques éléments :
L'installation ECS tel qu'elle existe semble surdimensionné.
On s'attend en effet à une production inférieure à 40 kW pour combler des besoins instantanés,
alors que la chaudière, même avec un rendement
très mauvais de 60%, à une puissance de 50 kW.
Or l'ECS repose ici sur un ballon, hélas vertical, qui à son tour a une dimension colossale :
4.3 m3 d'encombrement, correspondant à une capacité interne de 2500 L,
c'est à dire au stockage quotidien de 2,5 m3 x 60 °C x 1.16 kWh/m3°C = 174 kWh.
Avec un tel stock, un générateur de 14 kW suffirait, alors que nous disposons de 82 kW rien que pour l'ECS ,
soit 50 kW minimum avec un rendement global de 0.6 (70% rendement + 10% perte en ligne).
Même ainsi, notre puissance de chauffe est largement surdimensionnée !
Mais la vieille installation existante à été conçue en d'autre temps, à l'époque des 30 glorieuses,
quand les familles
était moins éclatées qu'aujourd'hui (un foyer
permanent de 5 personnes n'était pas rare).
Ce simple facteur augmente notre stock d'un facteur 5/3, soit 67% ! Presque une multiplication par 2 .
Ce coup d'oeil dans le rétroviseur montre
combien la prise en compte d'un facteur de risque peut être pertinent sur certains élémements.
Dans le cas de notre insatllation existantes,
les progrès réalisés dans l'isolation thermiques des ballons,
et la résilience apportée par un environnement évolutif multisource
(energie de stock fossile ou bois + PAC électrique -
l'électricité de puissance est une énergie de
réseau)
garantissant à la fois diversité des sources d'approvisionnement et économie à l'usage,
tendrait à orienter vers un surdimensionement raisonable du ballon : 2500 L n'est pas un mauvais choix.
On voit qu'en dessous de 1500 L de stockage, on quitte l'asymptote de la courbe d'égale satisfaction des besoins.
En dessous de 1000 L, il faut augmenter considérablement la puissance du générateur :
12kW à 2500 L, 13 kW à 3000 L, 14 kW à 2500 L, 17 kW à 1000 L, et .... 25 kW à 500 L !
En allant plus loin, une puissance modérée d'un nouveau générateur
permettrait certainement de faire des économies substentielles.
Ici, le choix de 2 ballons (résilience et maintenance) de 1000 L avec simples resistances chauffantes
le tout en alimentation électrique en heures creuses est une vrai question,
surtout si la solution peut réutiliser l'actuelle chaudière en secours...
A suivre...
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